第六章 非线性处理器

第六章非线性处理器1第1页，共50页，2023年，2月20日，星期三

第六章非线性处理器§6.1限幅器§6.2电压比较器§6.3迟滞比较器§6.4精密整流电路§6.5采样－保持电路**2第2页，共50页，2023年，2月20日，星期三非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：1.电路中的运放处于非线性状态。++Auo比如：运放开环应用uo运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。3第3页，共50页，2023年，2月20日，星期三2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。ui>0时：ui<0时：++AuoR1RF1RF2Duiuoui0传输特性4第4页，共50页，2023年，2月20日，星期三3.另一种情况，电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。5第5页，共50页，2023年，2月20日，星期三tuiuotUZ-UZ§6.1限幅器–+AuoR1RFuiDZR+运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件——稳压二极管。R：限流电阻。一般取100。DZ双向稳压管6第6页，共50页，2023年，2月20日，星期三另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。–+AuoR1RFuiDZ+当时，在双向稳压管的作用下，当时，双向稳压管不通，运放工作在线性状态。7第7页，共50页，2023年，2月20日，星期三–+AuoR1RFuiUZ+uoui0+UZ+UZ传输特性8第8页，共50页，2023年，2月20日，星期三uoui0+Uom-UomUR传输特性§6.2电压比较器UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

一、若ui从同相端输入9第9页，共50页，2023年，2月20日，星期三++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

二、若ui从反相端输入10第10页，共50页，2023年，2月20日，星期三uoui0+UOM-UOM++uoui三、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM11第11页，共50页，2023年，2月20日，星期三++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom12第12页，共50页，2023年，2月20日，星期三++uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。++uiuoUZRR´uoUZ电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上13第13页，共50页，2023年，2月20日，星期三比较器的特点1.电路简单。2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区14第14页，共50页，2023年，2月20日，星期三一、下行迟滞比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当uo负饱和时(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定§6.3迟滞比较器特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。1.没加参考电压的下行迟滞比较器15第15页，共50页，2023年，2月20日，星期三分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差。当ui增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；－++uoRR2R1ui当ui

减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom

。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。16第16页，共50页，2023年，2月20日，星期三tuiUom-UomtuiUHUL例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1ui17第17页，共50页，2023年，2月20日，星期三2.加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL18第18页，共50页，2023年，2月20日，星期三下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL19第19页，共50页，2023年，2月20日，星期三例：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit020第20页，共50页，2023年，2月20日，星期三首先计算上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR21第21页，共50页，2023年，2月20日，星期三+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V22第22页，共50页，2023年，2月20日，星期三u+=0

时翻转，可以求出上下门限电压。二、上行迟滞比较器－++uoRR2R1ui当u+>u-=0

时,uo=+UOM当u+<u-=0时,uo=-UOM1.没加参考电压的上行迟滞比较器23第23页，共50页，2023年，2月20日，星期三uoui0Uom-Uom传输特性曲线UHUL－++uoRR2R1ui上下门限电压：24第24页，共50页，2023年，2月20日，星期三－++uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo=+UOM时：当uo=-UOM时：2.加上参考电压后的上行迟滞比较器25第25页，共50页，2023年，2月20日，星期三传输特性：UHULuoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL对照26第26页，共50页，2023年，2月20日，星期三迟滞比较器电路改进：为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。思考题：如何计算上下限？UZ－++uoRR2R1uiuoUZ－++RR2R1ui27第27页，共50页，2023年，2月20日，星期三一、线性检波(半波整流)电路1.由于硅二极管的正向导通电压不小于0.5V，当Ui小于1V时，UO误差很大。2.二极管作为一个半导体元件，它很容易受到温度的影响，它还具有非线性特性。解决方法：若把普通二极管置于运算放大器的反馈回路中，就能大大削弱这些影响，提高电路的精度。uo~+-uiDRL+-普通半波整流电路的缺陷：§6.4精密整流电路28第28页，共50页，2023年，2月20日，星期三uo1tui0tuo0精密半波整流电路：精密半波整流电路的工作原理：当ui

>0时，uo1<0,D2导通，D1截止，运放工作在深度负反馈状态。当ui

<0时，uo1>0,D2截止，D1导通，构成反相比例放大器。–++uiuoR1RFR2D1D2u–=u+=0V，uo1-0.7V

uo=0;29第29页，共50页，2023年，2月20日，星期三1.运放的输出电压大于二极管的正向电压。

即D1和D2总是一个导通，另一个截止，这样电路就能正常检波。思考题：如何获得正半波极性的输入信号？精密半波整流电路正常工作的条件：2.电路所要求的最小输入电压峰值为其中，UD

为二极管的正向电压，答：二极管反向！–++uiuoR1RFR2D1D230第30页，共50页，2023年，2月20日，星期三tui0tuo0当ui

<0时，uo1>0,D2导通，D1截止，运放工作在深度负反馈状态。当ui

>0时，uo1<0,D2截止，D1导通，构成反相比例放大器。u–=u+=0V，uo10.7V

uo=0;RF1uiR1R21D1D2uo－++A1uo131第31页，共50页，2023年，2月20日，星期三二、绝对值(全波整流)电路在精密半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器，就组成了精密全波整流电路。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2电路结构：32第32页，共50页，2023年，2月20日，星期三左图中A1构成半波整流电路，在R1＝RF1的条件下，有：0(当ui

<0)(当ui

>0)-uiu1=－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A2工作原理：tui0tu1033第33页，共50页，2023年，2月20日，星期三tui0tu10tuo0若满足一定的条件，就可以有：－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A234第34页，共50页，2023年，2月20日，星期三已知在R1＝RF1的条件下，有：0(当ui

<0)(当ui

>0)-uiu1=若R12＝RF2且R11

=

0.5RF2

当ui

<0时，u1=0，于是uo

=-ui；

uo=-2u1

-ui=2ui

-ui=ui当ui

>0时，－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A235第35页，共50页，2023年，2月20日，星期三三、平均值电路作用：交流－直流变换器。半波整流的平均值电路种类：有两种平均值电路。全波整流的平均值电路方法：只要在整流电路后面连接低通滤波器，就能够组成最简单的平均值电路。原理：把交流信号整流后，再经滤波器，就把交流电压按比例地变成了直流电压，且一般是平均值电压。36第36页，共50页，2023年，2月20日，星期三1.半波整流的平均值电路这时可以认为全部纹波电压都被A2所抑制，起作用的仅是u1的直流分量，即平均值电压。讨论的情况。uiuoR11RF1R21D1D2R12RF2R22u1－++－++A1A2CF37第37页，共50页，2023年，2月20日，星期三设可得将代入，得：当时，－－++uiR1RF1R21D1D2A1u1++uoRF2R22R12A2CF可见，输出是输入的半波整流平均值。38第38页，共50页，2023年，2月20日，星期三2.全波整流的平均值电路在绝对值电路的基础上，加入一级低通滤波器，就组成了全波整流的平均值电路。实际上，在绝对值电路中，有时只增加一个电容，就能达到目的。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2C39第39页，共50页，2023年，2月20日，星期三全波整流的平均值电路uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2C40第40页，共50页，2023年，2月20日，星期三一、“采样－保持”的含义图(a)为采样－保持电路的输入信号u(t)；图(b)为一组离散的单位冲击函数f(t),用于对输入信号u(t)进行采样，图中的T称为采样周期；若将u(t)乘以f(t)，即可得“采样”后的信号g(t)，如图(c)所示。从图(c)可以看见某个时刻的采样值是转瞬即逝的。如果我们设法使这个数值延长至下个采样信号来到时再作改变，如图(d)所示，这就是“保持”电路的功能。§6.5采样－保持电路41第41页，共50页，2023年，2月20日，星期三二、采样－保持电路的组成采样－保持电路由模拟开关K和模拟信号存储电容C以及缓冲放大器等三部分组成。－+++–RCKucuoui模拟开关K一般由结型场效应管或MOS场效应管组成，缓冲放大器则采用集成运算放大器。42第42页，共50页，2023年，2月20日，星期三当数字指令为“1”时，模拟开关K接通，存储电容C上的信号uC

跟踪输入信号，经缓冲放大器送出，所以输出信号也跟踪输入信号，这就是采样过程；当数字指令为“0”时，模拟开关K断开，存储电容将断开瞬间t0的输入信号保持下来并通过放大器送出，所以输出信号保持为t0时刻的输入信号，这就是保持过程。三、采样－保持电路的工作原理－+++–RCKucuoui43第43页，共50页，2023年，2月20日，星期三对采样－保持电路的主要要求是它的精度和速度。为了提高实际电路的精度和速度，可以从元件和电路结构两个方面着手解决。从元件方面：(a)模拟开关采样－保持电路所使用的模拟开关主要是场效应管。为了得到高质量的采样－保持电路，场效应管的开关速度要快，极间电容要小，夹断电压或开启电压也要小，导通电阻和反向漏电流等都应该尽量小。上述要求可能互相矛盾，使用中应根据实际电路的具体要求，重点保证其中的某些参数指标。四、采样－保持电路的性能要求44第44页，共50页，2023年，2月20日，星期三(b)存储电容实际电容器具有介质吸附效应和泄漏电阻。介质吸附效应会使放电后的电容电压产生不应有的回